Помощь студентам в учебе
Влияние неустойчивости на динамику атмосферных процессов
|
Введение 3
1. Атмосферная неустойчивость 5
1.1 Адиабатический градиент 5
1.2 Критерий статической устойчивости атмосферы 14
1.3 Динамическая неустойчивость и турбулентность 18
2. Методы оценки неустойчивости в атмосфере 25
2.1 Индексы неустойчивости, основанные на методе частицы 26
2.2 Индексы, основанные на понятии о неустойчивой стратификации 28
2.3 Индексы, учитывающие энергетический потенциал атмосферы 31
2.4 Индексы, учитывающие динамические факторы 34
3. Оценка неустойчивости и анализ её влияния на динамику атмосферных
процессов 37
3.1 Используемые данные и методы оценки неустойчивости 37
3.2 Роль неустойчивости в формировании пыльной бури в Астраханской
области 19 мая 2021 года 39
3.3 Разбор общего алгоритма, разработанного для расчёта индексов
неустойчивости и построения полей метеоэлементов 44
3.4 Анализ неустойчивости и полей метеоэлементов в период развития
пыльной бури в Астрахани 51
3.5 Анализ неустойчивости и полей метеоэлементов на примере
формирования смерча в мае 2016 года 66
Заключение 84
Список использованных источников 88
Приложения 89
1. Атмосферная неустойчивость 5
1.1 Адиабатический градиент 5
1.2 Критерий статической устойчивости атмосферы 14
1.3 Динамическая неустойчивость и турбулентность 18
2. Методы оценки неустойчивости в атмосфере 25
2.1 Индексы неустойчивости, основанные на методе частицы 26
2.2 Индексы, основанные на понятии о неустойчивой стратификации 28
2.3 Индексы, учитывающие энергетический потенциал атмосферы 31
2.4 Индексы, учитывающие динамические факторы 34
3. Оценка неустойчивости и анализ её влияния на динамику атмосферных
процессов 37
3.1 Используемые данные и методы оценки неустойчивости 37
3.2 Роль неустойчивости в формировании пыльной бури в Астраханской
области 19 мая 2021 года 39
3.3 Разбор общего алгоритма, разработанного для расчёта индексов
неустойчивости и построения полей метеоэлементов 44
3.4 Анализ неустойчивости и полей метеоэлементов в период развития
пыльной бури в Астрахани 51
3.5 Анализ неустойчивости и полей метеоэлементов на примере
формирования смерча в мае 2016 года 66
Заключение 84
Список использованных источников 88
Приложения 89
Понятие неустойчивости включает в себя, в общем смысле, любое потенциально возможное развитие относительно малых возмущений в системе, приводящее к новым формам движений. В атмосфере это проявляется как увеличение амплитуд волн струйного течения, приводящее к формированию циклонов, развитие вертикальных неоднородностей полей температуры, приводящие к восходящим движениям воздуха, перераспределение энергии, под воздействием различных внешних факторов, в ламинарных воздушных потоках, приводящее к развитию турбулентности и т.д.
Одни из наиболее опасных явлений в атмосфере связаны с мощной конвективной облачностью, которая может образоваться в результате разрешения термической неустойчивости в форме сильной конвекции и в условиях благоприятных для конденсации водяного пара. Авиации такая облачность угрожает своими экстремальными условиями внутри неё, а сельскому хозяйству - градом или аномальным количеством осадков. Также с кучевыми облаками большой вертикальной протяжённости могут быть связаны такие опасные явления как наводнения, сели, смерчи и пыльные бури.
Для оценки неустойчивости атмосферы в основном используют специальные индексы, называемые индексами неустойчивости, которые рассчитываются на основе характеристик слоя воздуха. Выявление особенностей изменения распределения различных параметров атмосферы под влиянием неустойчивости, может позволить предугадать то какие опасные явления погоды вероятно возникнут в дальнейшем в подобных условиях.
Цель работы заключается в выявлении закономерностей изменчивости различных характеристик атмосферы в пространстве и во времени на фоне развития неустойчивости с целью определения влияния неустойчивости на динамику атмосферных процессов.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Выбор предполагаемых случаев проявления неустойчивости в атмосфере в виде тех или иных, связанных с ней метеорологических явлений;
2. Расчёт значений индексов неустойчивости и различных метеорологических величин, построение полей этих значений;
3. Анализ динамики полей метеорологических величин в течении выбранного периода развития неустойчивости.
Работа состоит из введения, трёх глав, тринадцати параграфов и заключения.
Список использованных источников содержит двадцать три наименования...
Одни из наиболее опасных явлений в атмосфере связаны с мощной конвективной облачностью, которая может образоваться в результате разрешения термической неустойчивости в форме сильной конвекции и в условиях благоприятных для конденсации водяного пара. Авиации такая облачность угрожает своими экстремальными условиями внутри неё, а сельскому хозяйству - градом или аномальным количеством осадков. Также с кучевыми облаками большой вертикальной протяжённости могут быть связаны такие опасные явления как наводнения, сели, смерчи и пыльные бури.
Для оценки неустойчивости атмосферы в основном используют специальные индексы, называемые индексами неустойчивости, которые рассчитываются на основе характеристик слоя воздуха. Выявление особенностей изменения распределения различных параметров атмосферы под влиянием неустойчивости, может позволить предугадать то какие опасные явления погоды вероятно возникнут в дальнейшем в подобных условиях.
Цель работы заключается в выявлении закономерностей изменчивости различных характеристик атмосферы в пространстве и во времени на фоне развития неустойчивости с целью определения влияния неустойчивости на динамику атмосферных процессов.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Выбор предполагаемых случаев проявления неустойчивости в атмосфере в виде тех или иных, связанных с ней метеорологических явлений;
2. Расчёт значений индексов неустойчивости и различных метеорологических величин, построение полей этих значений;
3. Анализ динамики полей метеорологических величин в течении выбранного периода развития неустойчивости.
Работа состоит из введения, трёх глав, тринадцати параграфов и заключения.
Список использованных источников содержит двадцать три наименования...
Для целей анализа взаимовлияния неустойчивости и различных метеорологических величин, на основе данных наблюдений на метеорологических станциях, архивных карт погоды с фронтальным анализом, спутниковых данных, было выбрано два атмосферных явления, которые вероятно могли быть связаны с сильной неустойчивостью атмосферы. Этими явлениями стали пыльная буря, наблюдавшаяся в Астраханской области 19 мая 2021 года и смерч, наблюдавшийся на западе Волгоградской области 14 мая 2016 года. Для каждого явления, был выбран диапазон дат, в течении которого можно было наблюдать изменение неустойчивости в атмосфере. В первом случае был выбран диапазон дат, начинавшийся с 12 мая 2016 года и заканчивавшийся 15 мая 2016 года. Во втором случае, выбранный диапазон дат, начинался с 17 мая 2021 года и заканчивался 20 мая 2021 года.
Используя архивы с данными анализа модели NCEP GFS и язык программирования python, были рассчитаны индексы неустойчивости Ki, Ti, TT, SWET, UVV, DCI, EHI, BRN, KO, значения относительных геопотенциальных высот поверхности 500 гПа над поверхностью 1000 гПа и изменения значений индекса CAPE, температуры на высоте 2 метра от земли и приземного давления за 6 часов. Были построены поля таких индексов как CAPE, CIN, Ki, Ti, TT, SWET, UVV, DCI, EHI, Li, BRN, KO, а также поля
барической тенденции за 6 часов у земли, тенденции температуры на высоте 2 метра от земли за 6 часов, относительных геопотенциальных высот изобарической поверхности 500 гПа над поверхностью 1000 гПа и геопотенциальных высот изобарической поверхности 700 гПа, ветра на высоте 10 метров над землёй и ветра на уровне изобарической поверхности 850 гПа.
На основе построенных полей был проведён анализ изменения температуры воздуха, давления, ветра и значений индекса неустойчивости CAPE в течении выбранного периода времени.
Анализ изменения полей температуры и значений индекса CAPE, показал, что в областях развития неустойчивости наблюдается либо более интенсивный локальный рост температуры, либо сохранение интенсивности этого роста, в то время как, в окружающей зону развития неустойчивости области, температура растёт медленнее по сравнению с предыдущим периодом. По мере развития устойчивости, температура обычно падает в той же области более стремительно, чем в окружающей. Также можно проследить зависимость суточного хода изменения значений индекса CAPE и температуры. В первую половину суток, на большей части исследуемого района наблюдается небольшое развитие неустойчивости и рост температуры, а во вторую половину небольшое развитие устойчивости и падение температуры.
Анализ изменения полей давления и значений индекса CAPE показал, что в целом, область развития неустойчивости расположена на границе роста и падения давления, причём большая часть этой области обычно находится в зоне падения давления. Когда значения CAPE начинают падать, большая часть устойчивой зоны обычно располагается в области роста давления.
Анализ полей ветра и значений индекса CAPE показал, что ветер как на уровне изобарической поверхности 850 гПа, так и на 10 метрах направлен к областям роста неустойчивости. Также в областях развития неустойчивости у земли, часто наблюдается локальный рост скоростей ветра на высоте 10 метров и изменение его направления, однако для ветра уровне 850 гПа — это не характерно. Необычное поведение ветра можно проследить в день формирования пыльной бури. До развития неустойчивости наблюдалась конвергенция воздуха в области холодного фронта, однако во время роста неустойчивости и после него воздушные потоки расходились. Данное поведение воздушных течений, учитывая спутниковые данные, характерно для процесса эволюции мезомасштабного конвективного комплекса, связанного с мощными шквалами...
Используя архивы с данными анализа модели NCEP GFS и язык программирования python, были рассчитаны индексы неустойчивости Ki, Ti, TT, SWET, UVV, DCI, EHI, BRN, KO, значения относительных геопотенциальных высот поверхности 500 гПа над поверхностью 1000 гПа и изменения значений индекса CAPE, температуры на высоте 2 метра от земли и приземного давления за 6 часов. Были построены поля таких индексов как CAPE, CIN, Ki, Ti, TT, SWET, UVV, DCI, EHI, Li, BRN, KO, а также поля
барической тенденции за 6 часов у земли, тенденции температуры на высоте 2 метра от земли за 6 часов, относительных геопотенциальных высот изобарической поверхности 500 гПа над поверхностью 1000 гПа и геопотенциальных высот изобарической поверхности 700 гПа, ветра на высоте 10 метров над землёй и ветра на уровне изобарической поверхности 850 гПа.
На основе построенных полей был проведён анализ изменения температуры воздуха, давления, ветра и значений индекса неустойчивости CAPE в течении выбранного периода времени.
Анализ изменения полей температуры и значений индекса CAPE, показал, что в областях развития неустойчивости наблюдается либо более интенсивный локальный рост температуры, либо сохранение интенсивности этого роста, в то время как, в окружающей зону развития неустойчивости области, температура растёт медленнее по сравнению с предыдущим периодом. По мере развития устойчивости, температура обычно падает в той же области более стремительно, чем в окружающей. Также можно проследить зависимость суточного хода изменения значений индекса CAPE и температуры. В первую половину суток, на большей части исследуемого района наблюдается небольшое развитие неустойчивости и рост температуры, а во вторую половину небольшое развитие устойчивости и падение температуры.
Анализ изменения полей давления и значений индекса CAPE показал, что в целом, область развития неустойчивости расположена на границе роста и падения давления, причём большая часть этой области обычно находится в зоне падения давления. Когда значения CAPE начинают падать, большая часть устойчивой зоны обычно располагается в области роста давления.
Анализ полей ветра и значений индекса CAPE показал, что ветер как на уровне изобарической поверхности 850 гПа, так и на 10 метрах направлен к областям роста неустойчивости. Также в областях развития неустойчивости у земли, часто наблюдается локальный рост скоростей ветра на высоте 10 метров и изменение его направления, однако для ветра уровне 850 гПа — это не характерно. Необычное поведение ветра можно проследить в день формирования пыльной бури. До развития неустойчивости наблюдалась конвергенция воздуха в области холодного фронта, однако во время роста неустойчивости и после него воздушные потоки расходились. Данное поведение воздушных течений, учитывая спутниковые данные, характерно для процесса эволюции мезомасштабного конвективного комплекса, связанного с мощными шквалами...
